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Node + NAPI 实现 C++ 扩展 - LRU 淘汰算法

前言

前段实践了一下 Node 的 C++ 编写,对于底层的编程实践是每个程序员心中所向往的圣地。由于接触的 Node C++ 的时间比较少,可能还无法完全理解其中的精髓,但是本文只记录自己的一个实践。

先来看看 Node Addons 在整个模块中的所处的位置。

Addons 是用 C ++编写的动态链接的共享对象。 require() 函数可以将 Addons 加载为普通的Node.js模块,Addons 提供 JavaScript 和 C / C ++ 库之间的接口。

插件编写方式

在现代,Node 官方推荐的方式为以下三种, 插件编写历史可以查看 从暴力到 NAN 再到 NAPI——Node.js 原生模块开发方式变迁

  • 1.NAN (一个充满宏和实用工具的头文件,使Node.js的插件开发在0.8、0.10、0.12、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13版本之间更容易。)

  • 2.NAPI (N-API(在字母中发音为N,后跟API)是用于构建本机插件的API。 它独立于底层JavaScript运行时(例如V8),并作为Node.js本身的一部分进行维护。)

  • 3.直接使用内部的 V8、Libuv 和 Node.js库(需要掌握 V8, libuv, Node 原生库方法,Node.js包括其他静态链接的库,包括OpenSSL )

如果你不使用 NAPI 的未公开的 API,优先使用 NAPI 进行插件开发。

NAN 和 NAPI 的区别

NAN 解决了混乱的C++原生模块,不再让一个模块只能被若干个 Node 版本使用,而提出使用宏定义来解决这个问题,所以说NAN是一大堆宏定义,兼容各种 Node 版本的宏定义。做到了一次编写,到处编译

而这种设计模式还是依然有缺点,那就是多次编译,也就是说你写的插件如果到了更高的 Node 版本,还是需要再次编译,因此有来额 NAPI,它旨在使 Addons 与基础 JavaScript 引擎的更改保持隔离,并使为一个主要版本编译的模块可以在 Node 的更高主要版本上运行,而无需重新编译

随着时代的前进,我当然选择了最新的 NAPI 进行实践,虽然最新的 API 的封装地非常友好,看起来编写已经不是那么复杂,但是对于深入理解V8 以及Node原生模块来说,提升没有从更下层编写来的大。不过,这也不妨碍我们的学习,我们先来看看上层的实践,快速搭建应用,然后慢慢地去理解整个过程,也是一个非常好的方式。

还有一点就是,N-API是一个 C API,确保 ABI 跨Node.js版本和不同编译器级别的稳定性。C++ API更容易使用。为了支持使用 C++,该项目维护了一个名为 node-addon-api 的 C++ 包装器模块。因此我们会使用进行包装后的 node-addon-api 来进行开发。

本文使用的环境

> g++ --verison
Configured with: --prefix=/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/usr --with-gxx-include-dir=/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX10.14.sdk/usr/include/c++/4.2.1
Apple LLVM version 10.0.0 (clang-1000.11.45.5)
Target: x86_64-apple-darwin18.0.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin

> node -v
v10.16.0

> sw_vers
ProductName:	Mac OS X
ProductVersion:	10.14
ProductName:	Mac OS X
ProductVersion:	10.14
BuildVersion:	18A391
复制代码

LRU算法介绍

既然要实现一个 LRU,那必须对这个算法有一个初步的了解。LRU(Least Recently Used 意思为 最近最少使用)

以内存访问为例解释缓存的工作原理。假设缓存的大小固定,初始状态为空。每发生一次读内存操作,首先查找待读取的数据是否存在于缓存中,若是,则缓存命中,返回数据;若否,则缓存未命中,从内存中读取数据,并把该数据添加到缓存中。向缓存添加数据时,如果缓存已满,则需要删除访问时间最早的那条数据,这种更新缓存的方法就叫做LRU。

可以用以下图来进行演示说明,假设我们最多只能开3个应用,第一次我们开了知乎,然后知乎为最近使用,第二次,我们点击了qq音乐,然后我们的qq音乐会成为最近使用的应用。最后我们又打开了美团,此时爱奇艺应用被删除,美团成为最近使用的应用。

为了实现 LRU,我们需要保证他的读写性能。理想状态为在 O(1) 的时间内读取或者更新一条数据。通过这个现象我们可以使用 HashMap 来实现这个存储,根据键值访问可以达到 O(1) 的速度。现在还差更新数据,由于我们需要确定最早的那条数据,所以我们需要遍历所有数据。

首先我们可以想到链表是一种有顺序的数据结构,其次由于我们被访问的数据有可能为非首尾结点,所以我们需要使用双向链表,来保证我们可以从中间任意结点修改链表。

现在我们确定了我们的数据结构为 HashMap + 双向链表。

我用图来描述一下整个过程,假设我们总长度为4。(左侧为双向链表,右侧为HashMap)

C++实现

由于一开始对 Node Addons 不太了解,因此先写了一个 c++ 版本,方便逻辑的调试。

list.h

#include <stdio.h>
#include <unordered_map>
#include <string>
using namespace std;

class Node {
public:
    string data;
    Node *next;
    Node *prev;
    Node(string da, Node *p = NULL) {
        this->data = da;
        this->next = p;
    }
};
class List {
private:
    Node *head, *tail;
    int position;
    int count = 0;
    int maxCount = 200;
    unordered_map <string, string> cachemap;
public:
    List() {
        head = tail = NULL;
    };
    void SetMax(int da);
    void Print();
    void Insert (string da, string value);
    void Delete(string da);
    void Search(string da);
};
复制代码

list.cpp

#include <iostream>
#include "list.hpp"
#include <string>
#include <unordered_map>

using namespace std;

void List::SetMax(int da) {
    maxCount = da;
}

void List::Print() {
    Node *p = head;
    
    while(p != NULL) {
        string key = p->data;
        unordered_map<string ,string >::iterator l_it;
        l_it = this->cachemap.find(key);
        
        if(l_it != this->cachemap.end()) {
            cout << l_it->second << endl;
        }
        p = p->next;
    }
}

void List::Delete(string da) {
    Node *p = head, *q = head;
    if(p == NULL) {
        cout << "can't find value %d" << da << endl;
        return;
    }
    string value = "";
    while (p != NULL) {
        if(p->data == da) {
            value = da;
            break;
        }
        q = p;
        p = p->next;
    }
    if(p == NULL) {
        cout << "del can't find value " << da << endl;
    } else {
        q->next = p->next;
        cout << "del value " << da << endl;
    }
}

void List::Insert(string da, string value) {
    if(count >= maxCount) {
        tail->prev->next = NULL;
        tail = tail->prev;
        
        Node *p = new Node(da);
        cachemap.insert(pair<string, string>(da, value));
        p->next = head;
        head->prev = p;
        head = p;
        head->prev = NULL;
        
        return;
    }
    if(head == NULL) {
        head = tail = new Node(da);
        cachemap.insert(pair<string, string>(da, value));
        head->next = NULL;
        head->prev = NULL;
        tail->next = NULL;
        tail->prev = NULL;
    } else {
        Node *p = new Node(da);
        cachemap.insert(pair<string, string>(da, value));
        head->prev = p;
        p->next = head;
        p->prev = NULL;
        head = p;
    }
    count++;
}

void List::Search(string da) {
    Node *p = head;
    if(p == NULL) {
        cout << "can't find" << endl;
        return;
    }
    int count = -1;
    int i = 0;
    while( p!= NULL ) {
        if(p->data == da) {
            count = i;
            break;
        }
        p = p->next;
        i ++;
    }
    if(count != -1) {
        p->prev->next = p->next;
        if(p->next != NULL) {
            p->next->prev = p->prev;
        }
        p->next = head;
        p->prev = NULL;
        head->prev = p;
        head = p;
        unordered_map<string ,string >::iterator l_it;
        l_it = this->cachemap.find(da);
        if(l_it == this->cachemap.end()) {
            cout << "can't find key " << da << endl;
        } else {
            cout << "find value is " << l_it->second << endl;
        }
    } else {
        cout << "can't find key" << da << endl;
    }
}
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Node Addons 设计实现

功能

1.设置缓存长度

2.获取缓存长度

3.打印所有缓存数据

4.插入缓存数据

5.获取缓存数据

项目结构

├── binding.gyp      // 编译配置
├── package.json  
├── src
│   ├── bingding.cc  // 声明模块导出
│   ├── list.cc      // 主入口
│   └── list.h       // 头文件声明
└── index.js         // 主文件入口
复制代码

步骤

初始化

npm init -y
复制代码

创建binding.gpy

{
  "targets": [
    {
      "target_name": "LRU_node_addon",
      "cflags!": [ "-fno-exceptions" ],
      "cflags_cc!": [ "-fno-exceptions" ],
      "sources": [ "./src/bingding.cc", "./src/list.cc" ],
      "include_dirs": [
        "<!@(node -p \"require('node-addon-api').include\")"
      ],
      'defines': [ 'NAPI_DISABLE_CPP_EXCEPTIONS' ],
    }
  ]
}
复制代码

下载依赖

npm i bindings node-addon-api -S
复制代码

注: bingding 是用来引入 c++ 模块,node-addon-api 是 NAPI 的 c++ 封装

导出模块

NAN模块的初始化是交给 Node.js 提供的宏来实现的:

NODE_MODULE(addon, init)
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而N-API使用自己的宏定义(NAPI_MODULE),因为我们使用node-addon-api,所以它也对这个宏定义包裹成下面这个了:

NODE_API_MODULE(addon, Init)
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编写我们的导出模块 binding.cc

#include <napi.h>
#include "list.h"


Napi::Object InitAll(Napi::Env env, Napi::Object exports) {
  return List::Init(env, exports);
}

NODE_API_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, InitAll)
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改造主逻辑

做完了上述的准备工作,就可以开始改造我们的主逻辑,转化为 Node Addons ,主要还是因为 Node 无法直接调用 c++, 因此需要经过包装,我们的主要任务就是将 c++ 的类型包装为 v8 的类型,这一部分 node-addon-api 已经封装好,我们直接使用即可。(主要我写的这个比较简单,没有用到特别复杂的特性,主要作为一个小小的实践。)

修改声明文件

这里主要是对函数的返回值以及入参进行修改。

入参: Napi::CallbackInfo 主要为js 调用时传入的请求参数。

返回值: Napi::Value是 js 值的C ++表示。

...
class List : public Napi::ObjectWrap<List>{
private:
    Node *head, *tail;
    int count = 0;
    int maxCount = 200;
    unordered_map <string, string> cachemap;
public:
    static Napi::Object Init(Napi::Env env, Napi::Object exports); // 初始化
    static Napi::FunctionReference constructor; // 创建 FunctionReference ,防止被垃圾回收
    List(const Napi::CallbackInfo& info); // 类构造函数
    void SetMax(const Napi::CallbackInfo& info);
    Napi::Value getMax(const Napi::CallbackInfo& info);
    Napi::Value Print(const Napi::CallbackInfo& info);
    void Insert (const Napi::CallbackInfo& info);
    Napi::Value Search(const Napi::CallbackInfo& info);
}
...
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设置缓存长度

通过对 info 参数来获取 js 传入的参数。增加一些类型判断,如果非数字则想 js 抛出错误。

void List::SetMax(const Napi::CallbackInfo& info) {
    int length = info.Length();
    Napi::Env env = info.Env();
     if (length <= 0 || !info[0].IsNumber()) {
        Napi::TypeError::New(env, "Number expected").ThrowAsJavaScriptException();
    }
    Napi::Number value = info[0].As<Napi::Number>();
    int cvalue = value.Int32Value();
    if(cvalue < 10) {
        Napi::TypeError::New(env, "min count is 10").ThrowAsJavaScriptException();
    }
    this->maxCount = cvalue;
}
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获取缓存长度

修改返回值为 Napi::Value 统一方式。

Napi::Value List::getMax(const Napi::CallbackInfo& info) {
    int num = this->maxCount;
    return Napi::Number::New(info.Env(), num);
}
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打印所有缓存数据

通过对链表的迭代,获取所有数据并创建 Napi::Array 来进行存储。最后返回。

Napi::Value List::Print(const Napi::CallbackInfo& info) {
    // array https://github.com/nodejs/node-addon-api/issues/423
    Node *p = this->head;
    Napi::Array arr = Napi::Array::New(info.Env(), this->count);
    int i = 0;
    while(p != NULL) {
        string key = p->data;
        unordered_map<string ,string >::iterator l_it;
        l_it = this->cachemap.find(key);

        if(l_it != this->cachemap.end()) {
            arr[i] = Napi::String::New(info.Env(), l_it->second);
        }
        i++;
        p = p->next;
    }
    return arr;
}
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插入缓存数据

修改点也比较少,主要就是

info[0].As<Napi::String>()

info[1].As<Napi::String>()

用来获取 js 传入的参数,其他就是正常的数据类型改造。

void List::Insert(const Napi::CallbackInfo& info) {
    int length = info.Length();
    Napi::Env env = info.Env();

     if (length <= 1 || !info[0].IsString() || !info[1].IsString()) {
        Napi::TypeError::New(env, "key and value expected").ThrowAsJavaScriptException();
    }
    Napi::String key = info[0].As<Napi::String>();
    Napi::String value = info[1].As<Napi::String>();

    string da = key.ToString();

    if(this->count >= this->maxCount) {
        this->tail->prev->next = NULL;
        this->tail = this->tail->prev;
        
        Node *p = new Node(da);
        this->cachemap.insert(std::pair<string, string>(da, value));
        p->next = this->head;
        this->head->prev = p;
        this->head = p;
        this->head->prev = NULL;
        
        return;
    }
    if(this->head == NULL) {
        this->head = this->tail = new Node(da);
        this->cachemap.insert(std::pair<string, string>(da, value));
        this->head->next = NULL;
        this->head->prev = NULL;
        this->tail->next = NULL;
        this->tail->prev = NULL;
    } else {
        Node *p = new Node(da);
        this->cachemap.insert(std::pair<string, string>(da, value));
        this->head->prev = p;
        p->next = this->head;
        p->prev = NULL;
        this->head = p;
    }
    this->count++;
}
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获取缓存数据

获取到 js 传入 key 的后,通过循环链表查找是否存在改 key值,如果存在就去 map 中获取 value

Napi::Value List::Search(const Napi::CallbackInfo& info) {
    int length = info.Length();
    Napi::Env env = info.Env();

     if (length <= 0 || !info[0].IsString()) {
        Napi::TypeError::New(env, "String expected").ThrowAsJavaScriptException();
    }
    Napi::String value = info[0].As<Napi::String>();
    string da = value.ToString();

    Node *p = this->head;
    
    if(p == NULL) {
        return Napi::String::New(info.Env(), INITVALUE);
    }
    
    int count = -1;
    int i = 0;
    
    while( p!= NULL) {
        if(p->data == da) {
            count = i;
            break;
        }
        p = p->next;
        i ++;
    }
    if(count != -1) {
        p->prev->next = p->next;
        if(p->next != NULL) {
            p->next->prev = p->prev;
        }
        p->next = this->head;
        p->prev = NULL;
        this->head->prev = p;
        this->head = p;
        unordered_map<string ,string >::iterator l_it;
        l_it = this->cachemap.find(da);
        if(l_it == this->cachemap.end()) {
            return Napi::String::New(info.Env(), INITVALUE);
        } else {
            return Napi::String::New(info.Env(), l_it->second);
        }

    } else {
        return Napi::String::New(info.Env(), INITVALUE);
    }
    return Napi::String::New(info.Env(), INITVALUE);
}
复制代码

如何运行

打包模式

node-gyp configure && node-gyp build 
复制代码

调试模式

node-gyp configure && node-gyp build --debug
复制代码

通过 node-gyp 编译后, 会出现对应的 build 目录,打包模式 build 下面会有 一个 Release 目录,调试模式则是 Debug 目录。

运行测试文件 test.js

const List = require("bindings")("LRU_node_addon").List;

const list = new List();
list.SetMax(10);

list.Insert("10", "hello");
list.Insert("11", "world");
list.Insert("12", "hi1");
list.Insert("13", "hi2");
list.Insert("14", "hi3");
list.Insert("15", "hi4");
list.Insert("16", "hi5");
list.Insert("17", "hi6");
list.Insert("18", "hi7");
list.Insert("19", "hi8");
list.Insert("20", "hi9");
list.Insert("21", "hi10");

console.log(list.Search("10"));
console.log(list.Print());
复制代码

output

由于设置缓存最长长度为10,因为已经查找不到 "10" 这个 key 了。

> 
>[ 'hi10',
  'hi9',
  'hi8',
  'hi7',
  'hi6',
  'hi5',
  'hi4',
  'hi3',
  'hi2',
  'hi1' ]
复制代码

如何调试

以下都是基于 vscode 进行调试。

调试 Node

创建 .vscode/launch.json, 添加以下配置。preLaunchTask 为调试前运行的命令,保证每次调试的都是 最近的 c++ 扩展代码。(也可以去除这个文件)

{
        "type": "node",
        "request": "launch",
        "name": "JS Debug Build",
        "console": "integratedTerminal",
        "program": "${workspaceFolder}/test.js",
        "preLaunchTask": "npm: build:debug"
}
复制代码

然后打上两个断点,在调试面板 找到 JS Debug Build。单击运行,就可以看到效果了。

调试 c++

vscode 默认不支持 c/c++ 的调试,先安装 c/c++ 插件。

添加配置

{
        "name": "(lldb) Launch",
        "type": "cppdbg",
        "request": "launch",
        "program": "/Users/huayifeng/.nvm/versions/node/v10.16.0/bin/node",
        "cwd": "${workspaceFolder}",
        "args": [
            "${workspaceFolder}/test.js"
        ],
        "MIMode": "lldb",
},
复制代码

list.cc 打上断点。在调试面板 找到 (lldb) Launch。单击运行,就可以看到效果了。

屏幕快照-2019-12-23-2.png

如何发布

包版本管理

根据语义化版本管理(semantic-version)docs.npmjs.com/about-seman…

这里可以看我的另一个包 github.com/zerolty/aut… 帮助你更好地管理版本。

为了帮助开发人员管理好依赖代码,我们建议你从 1.0.0 作为初始版本进行迭代。

Code status Stage Rule Example version
First release New product Start with 1.0.0 1.0.0
Backward compatible bug fixes Patch release Increment the third digit 1.0.1
Backward compatible new features Minor release Increment the middle digit and reset last digit to zero 1.1.0
Changes that break backward compatibility Major release Increment the first digit and reset middle and last digits to zero 2.0.0

上述表格摘自 npm ,懒得翻译了。。。

定义入口

package.json

{
  "name": "lru-node-addon",
  "version": "1.0.0",
  "description": "",
  "scripts": {
    "build:debug": "node-gyp configure && node-gyp build --debug",
    "build:release": "node-gyp configure && node-gyp build"
  },
  "main": "index.js",
  "files": ["src", "index.js", "binding.gyp"],
  "gypfile": true,
  "dependencies": {
    "bindings": "~1.2.1",
    "node-addon-api": "^1.0.0"
  }
}

复制代码

发布

npm publish
复制代码

1577073485544.jpg

比较效率

时间

100 1000 10000
Node 1.828ms 3.264ms 42.393ms
Addon 0.605ms 5.953ms 525.639ms

内存使用(heapUsed)

100 1000 10000
Node 3.96MB 4.46MB 6.72MB
Addon 3.90MB 4.23MB 5.45MB

测试发现随着数量的增加。用原生的 node 速度更快一些,但是内存占用更多。。 。这个回头再写一篇研究一下。还没有具体分析。。。

以上所有示例的 github 地址

github.com/hua1995116/…

参考

juejin.im/post/5de484…

www.jianshu.com/p/b1ab4a170…

cnodejs.org/topic/59576…

github.com/nodejs/node…

gyp.gsrc.io/docs/UserDo…

www.ibm.com/developerwo…

nodejs.org/dist/latest…

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